壓電傳感器前置放大電路分析

摘要：介紹了壓電傳感器的基本工作原理和基本用途，然后分別介紹了兩種前置放大電路。這兩種前置放大電路可用以對壓電傳感器所產(chǎn)生的極其微弱的信號進行直接放大，最后對這兩種放大電路的放大原理進行了詳細(xì)的分析，并通過對比給出了它們的優(yōu)缺點以及各自所適用的場合。
關(guān)鍵詞：壓電傳感器；電壓放大器；電荷放大器；運算放大器

0 引言
傳感器是感知各種信號的最直接工具。自產(chǎn)業(yè)革命以來，各式各樣的機器不斷地出現(xiàn)，代替了以前很多由人直接從事的勞動，人類社會也因此逐步進入了工業(yè)社會時代。為了改善機器的性能以及提高機器的智能化程度，需要實時地測量反映機器工作狀態(tài)的信息，并利用這些信息去控制機器，使之處于最佳工作狀態(tài)。為了便于測量和控制，傳感器就成了必不可少的信號拾取工具，它能將各種被測控量(信息)檢出并轉(zhuǎn)換成便于傳輸、處理、記錄、顯示和控制的可用信號(一般為電信號)。
目前，傳感器種類繁多，幾乎各個領(lǐng)域都有傳感器的影子。在眾多的傳感器中，壓電傳感器以其具有工作頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、體積小、重量輕等特點，被廣泛應(yīng)用于工程力學(xué)、電聲學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的動態(tài)測量。
弄清壓電傳感器的工作機制及信號調(diào)理電路，對于更好地使用壓電傳感器進行各種測試具有十分重要的意義。

1 壓電傳感器的工作原理
某些單晶體或多晶體陶瓷電介質(zhì)，在沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時，它的兩個對應(yīng)晶面上便會產(chǎn)生符號相反的等量電荷，當(dāng)外力取消后，電荷也消失，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)，圖1所示是壓電效應(yīng)示意圖。

當(dāng)作用力的方向改變時，電荷的極性也隨著改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場(加電壓)作用時，這些電介質(zhì)晶體會在一定的晶軸方向產(chǎn)生機械變形，如果外加電場消失，變形也隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)(電致伸縮)。具有這種壓電效應(yīng)的物質(zhì)稱為壓電材料或壓電元件。常見的壓電材料有石英晶體和各種壓電陶瓷材料。

2 壓電傳感器前置放大電路
2．1 壓電傳感器等效電路
由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個電荷發(fā)生器，同時，它也看作一個電容器。圖2所示是壓電傳感器的等效電路，其電容量為：

式中，S為壓電片極板面積；h為壓電片厚度：εr為壓電材料的相對介電常數(shù)；ε0為空氣介電常數(shù)，ε0=8．85×10-12F／m。